心电放大器（电池供电）设计报告.docx

心电放大器（电池供电）设计报告一、设计意义心血管疾病是影响人们生活质量，造成死亡的重要原因，而反应心脏生理情况的重要科学依据就是心电信号。心电信号的检测不同于普通的信号测量。其信号比较微弱，干扰强，个体差异大，所以希望设计一种抗干扰能力强，功耗低的直流心电放大器。而相比于交流放大器，直流心电放大器因为其功耗小，所以可以用电池供电，进而可以向着小型化，便携化发展，有较高的应用价值。二、 心电总述1、 心肌细胞的跨膜电位心肌细胞的跨膜电位是指心肌细胞内外两侧的电位差，包括在静息状态下的静息电位和兴奋时的动作电位。人的心室肌细胞的静息电位约为-90mv。当心肌细胞由静息状态进入兴奋时，即产生动作电位。当心室肌兴奋时，膜内电位从安静状态的-90mv很快上升到30mv，需时12ms，电位上升的最高速度达到800V/s。当心肌细胞除极后，立即开始复极。下图为跨膜电位变化曲线。 跨膜电位变化曲线2、 心电的传播心脏周围的组织及液体都可以导电，被称为容积导体，而且是三度空间的导体。心脏又是一个形态不规则的空腔肌肉器官，它的肌纤维行走方向不一致。兴奋在心肌内向各个方向传播的过程中，每一瞬间在心脏内形成很多双极体，且其大小、方向都不一样。心脏按窦房结结间束房室结左、右束支蒲氏纤维心室肌这一顺序进行的兴奋传播，是在一个空间进行的。3、 心电波形图上图是正常人的心电波形图图中：l P波：代表左、右兴奋时所产生的电变化，因心房电向量方向不同而相互抵消了一部分，故其幅度不大。l P-R间期：代表心房兴奋到心室开始兴奋经过的时间，一般成年人为0.120.20s。l QRS波群：代表心室兴奋传播过程的电位变化，一般在0.060.10s之间。l T波：反映心室复极过程的电变化。l QT间期：指由QRS波群起点到T波终点，由心室开始除极到完成所需时间，在心率为75次/s，Q-T间期小于0.4s。l U波：在T波出现后经0.020.04s可能出现的波，大都在0.05ms以下。4、 心电信号基本特征心电信号是一种较微弱的体表电信号，成年人的幅值约为10V5mV，属低幅值小信号，常见的心电频率一般在0.05100Hz之间，能量主要集中在17Hz附近，测量时心电电极阻抗较大，一般在几百千欧以上，极易受到工频干扰和体表其他干扰。三、 整体设计1、 主要干扰l 电极极化电压引起的基线漂移：由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mv，因此放大器的前级增益不能过大，而且要有去极化电压的RC常数电路。l 工频干扰：50Hz的工频干扰主要以共模形式存在，幅度可达几伏甚至几十伏，所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。l 肌电干扰：一般为几百赫兹。l 其它仪器的干扰。2、 心电放大器的性能指标l 差模电压增益：成年人心电信号幅值约为10uv5mv，放大器输出信号一般在+5V-5V，因此要求放大器的差模电压增益大于1000。l 频率特性：频带宽度约为0.05100Hz。l 输入阻抗：人体内阻，检测电极与皮肤的接触电阻通常为几千欧，故前置部分要有较大的输入阻抗，以提高信号索取能力，一般要求放大器的单端输入阻抗不小于10兆欧。l 抗干扰能力：要求放大器的共模抑制比KCMR60dB。l 输入回路电流：不大于0.1uA。l 噪声水平：所有折算到输入端的噪声小于35uA。l 陷波：50Hz工频干扰抑制滤波器20dB。3、 整体电路框图前置保护电路前级放大输出信号主放大器陷波电路低通滤波心电信号电池供电四、 单元电路设计与分析1、 前置保护电路与前级放大电路该电路功能分析：（1）前置保护电路心电放大器是人体与仪器直接接触的仪器，所以在设计时必须要考虑到人体安全，故在放大器前加两个稳压二极管作为保护电路，防止外界过强信号进入电路毁坏仪器。（2）差动放大电路前级放大电路中，A1、A2、R1、R2、R3构成差动放大电路，在运算放大器为理想的情况下，输入阻抗为无穷大，共模抑制比为无穷大。考虑到前级存在极化电压，此级放大倍数不宜过大，所以选取R1=R3=20K，R2=10K。其理论增益为（R1+R2+R3）/R2=5。（3）时间常数电路测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mv，所以这部分电路主要用于消除极化电压以及其余低频干扰。C1、R6和C2、R7构成高通滤波器，设计截止频率为0.05Hz,根据f=1/(2RC)，选取R6=R7=320K，C1=C2=1uF。（4）共模驱动电路由图可知，A3的输入信号取自A1和A2输出端串联电阻的中点电压，即只有当A1、A2输出相等时，中点电压为0，即A3输出电压也为0，相当于接地。而当共模信号和差模信号一起输入时，A3的输出只包含输入信号的共模部分，从而使得共模信号不经过时间常数电路的分压直接加在集成运放的输入端，避免了由于时间常数电路的不匹配而降低整体电路的共模抑止。考虑到前级放大的驱动能力，选取R4=R5=100K。（5）右腿驱动电路右腿驱动电路的作用是减小位移电流的干扰并增加共模抑制比，在右腿接入一反相放大器，并与仪表放大相连，可将共模信号抑制1+K倍，K为反向放大倍数，C3的作用是使右腿驱动电路稳定。选取R9=10M,R8=10K，C3=4700pF。（6）仪器放大器构成的后级放大电路此处设计3种可供选择方案方案A选择INA128/INA129作为主放大器，它具有以下特性：电源范围2.2518V，共模抑制比最小为120dB，最大失调电压50uV，最大失调电流10nA，最大偏置电流5nA，增益可调11000。G=1+50K/Rg（INA128）；G=1+49.4K/Rg(INA129)方案B选择AD620作为主放大器，电源范围2.318V，共模抑制比最小为100dB，最大失调电压50uV，最大失调电流0.5nA，最大偏置电流1nA。G=1+49.6K/Rg方案C选择MAX4194作为主放大器，电压范围2.77.5V，轨至轨特性，共模抑制比最小为115dB，最大失调电压50uv，最大失调电流3nA，贴片式。方案D选择INA118作为主放大器，电压范围1.3518V，低功耗，共模抑制比最小为120dB，最大失调电压50uV，轨至轨特性。G=1+50K/Rgl 前级放大电路中其余放大器的选择方案ALM3244组独立的高增益的、内部频率补偿、输入偏置电流是温度补偿的、单位增益带宽是温度补偿的运算放大器，既可以单电源使用，又可以双电源使用，其最低供电电压为2.5v单电源或1.25v双电源，共模抑制比大于65dB，成本很低。方案BOPA4251单电源微功耗运算放大器，轨至轨输出，供电范围2.736v，输入失调电压0.25mv，最大输入偏置电流为20000pA，最小共模抑制比为100dB，成本相对较低。注：轨至轨特性轨至轨(rail-to-rail)性能轨至轨输出提供了最大的输出电压摆幅，实现了最宽的动态范围。在信号摆幅受到限制的低工作电压场合，轨至轨性能尤为重要。轨至轨输入性能通常用于缓冲(G=1)的单电源应用中，以达到最大的信号摆幅。同时还可以用于其它的应用，具体取决于放大器增益及偏置电压方面的考虑 。一般的运放输出的电压幅度是达不到电源电压的，会有1V左右的压差，而轨至轨（rail to rail）的运放 不一样，电源是多少，输出的最大幅度就能达到多少，还有是它的差分输入电压也能达到电源电压。 2、 低通滤波方案A采用MAX291八阶巴特沃斯滤波器，它具有以下特性：单电源5V双电源5V，转折频率：振荡频率=1:100，内部或外部时钟，外围电路简单，仅需一个电容，容值决定振荡频率。f(KHz)=105/3C(pF),fo=100Hz,C=3300pF方案B采用LTC1062集成滤波芯片，它具有以下特性：低通带噪声，单电源5V，双电源8V，五阶滤波器，内部或外部时钟，快速衰减3、50Hz陷波电路由于室内照明和动力设备带来的干扰，频率处于生理信号的频带范围内，所以要用50Hz陷波器将其滤掉。消除工频干扰的方法是使用带阻滤波器，它使在规定范围内信号不能通过，而其他频率信号正常通过。利用双T网络和运算放大器构成的有源双T陷波器。Rw为可变电阻，根据Q=1/4(1-)（为可变电阻中间滑头与接地之间的电阻与可变电阻总阻值的比值），调节Rw改变Q值，由fo=1/2RC可得R=1/2foC，其中fo=50Hz，考虑到实验室的电阻和电容的标称值，选取R1=R2=30K，C1=C2=0.11F，C3=C4=0.22F。放大器选择OPA1013特性：1 SINGLE POWER SUPPLY OPERATION 2 INPUT VOLTAGE RANGE TO GROUND 3 OUTPUT SWINGS NEAR GROUND 4 LOW QUIESCENT CURRENT:550A max 5 LOW Vos:300V max4、 主放大电路C1为隔直电容，减小极化电压的影响。C2为防止电路发生自激震荡，使电路工作稳定。加R3为的是使电路对称。前级已经放大了大约100倍，所